Neuer Meilenstein in der Quantentechnologie – Positionen einzelner Atome in 3D sichtbar gemacht

Erstautor der Studie ist Mohammad T Amawi vom Institut für Physik der Universität Rostock. Seiner Arbeitsgruppe ist es gelungen, mit Hilfe von dreidimensionaler magnetischer Resonanztomografie, ein dreidimensionales Bild der Positionen einzelner Atome in einem Diamantkristall aufzunehmen – eine Wolke aus Punkten, vergleichbar mit einem Sternhaufen am Nachthimmel (Foto: Institut für Physik/Universität Rostock).
Nano-Magnetresonanztomograf, wie er im Experiment verwendet wurde. Mikrofabrizierte Golddrähte (Mitte) produzieren ein schaltbares magnetisches Feld, das dreidimensionale Bilder ermöglicht (Foto: Institut für Physik/Universität Rostock).

Ein Forschungsteam des Instituts für Physik der Universität Rostock und der Technischen Universität München hat einen bedeutenden Fortschritt in der Quantentechnologie erzielt. Mit Hilfe von dreidimensionaler magnetischer Resonanztomografie ist es gelungen, ein dreidimensionales Bild der Positionen einzelner Atome in einem Diamantkristall aufzunehmen – eine Wolke aus Punkten, vergleichbar mit einem Sternhaufen am Nachthimmel. Die angewandte Technik, ähnlich der Kernspintomografie im medizinischen Bereich, ermöglicht eine außergewöhnliche Auflösung von knapp unter 10 Nanometern. Das ist zwar noch zehn bis einhundert Mal größer als ein einziges Atom, reicht aber aus, um die Lage einzelner Atome im Raum dreidimensional abzubilden. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Arbeit wurden jetzt im Fachjournal npj Quantum Information veröffentlicht.

 

Die Magnetresonanzspektroskopie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und ermöglicht die Untersuchung kleinster Proben bis hin zu einzelnen Biomolekülen. Dieser Fortschritt hat zu dem Ziel geführt, auch die Bildgebung von solchen kleinen, so genannten Nanoproben zu realisieren, um Moleküle mit atomarer Auflösung dreidimensional darzustellen und damit gewissermaßen eine verkleinerte Version eines klinischen Kernspintomographen zu entwickeln.

Die neuesten Ergebnisse der Arbeitsgruppe Quantentechnologie am Rostocker Institut für Physik in Zusammenarbeit mit Kollegen der Technischen Universität München sind ein wichtiger Schritt auf diesem Weg. Durch den Aufbau eines winzigen Elektromagneten aus nanofabrizierten Golddrähten von wenigen Mikrometern Länge ist es gelungen, dreidimensionale Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Demonstriert wurde dies durch die dreidimensionale Abbildung einzelner Stickstoffatome in einem Diamantkristall mit einer Auflösung von etwa 10 Nanometern, was einem Durchmesser von zehn bis einhundert Atomen entspricht. Es ist davon auszugehen, dass diese Auflösung durch weitere Verbesserungen auf weniger als einen Nanometer verbessert werden kann, was die Möglichkeit eröffnen würde, dreidimensionale Bilder von einzelnen Molekülen zu erstellen.

Die aktuellen Experimente zeigen Atome im Diamanten selbst – konkret Atome im so genannten Stickstoff-Fehlstellenzentrum (engl. nitrogen-vacancy center bzw. NV-Zentrum), einer bestimmten Art von Stickstoffeinschluss im Diamantgitter. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, den Diamanten zusätzlich als Sensor zu nutzen, um Moleküle außerhalb des Diamanten tomographisch abzubilden. Damit könnte die Magnetresonanztomographie mit den leistungsstärksten optischen und Elektronen-Mikroskopen konkurrieren – eine bemerkenswerte Entwicklung, denn lange Zeit galt die Magnetresonanzbildgebung als ein Verfahren, das nur für große Objekte wie den Menschen geeignet ist.

Originalveröffentlichung:
T. Amawi, M., Trelin, A., Huang, Y. et al. Three-dimensional magnetic resonance tomography with sub-10 nanometer resolution. npj Quantum Inf 10, 16 (2024). https://doi.org/10.1038/s41534-024-00809-w

 

Kontakt:

Prof. Dr. Friedemann Reinhard
Institut für Physik
Arbeitsgruppe Quantentechnologie
Tel.: +49 381 498 6840
friedemann.reinharduni-rostockde

 

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